第四章变质岩的形成作用

第四章变质岩的形成作用第四章变质岩的形成作用

现今出露于地表的变质岩是如何形成的？即在变质条件下地壳已存岩石是如何形成变质岩的？

变质岩的形成主要有五种方式：变质岩的形成主要有五种方式： 1 ．变质结晶作用（变质反应） 2 ．变质重结晶作用 3 ．变形作用 4 ．变质分异作用 5 ．交代作用（岩石流体相互作用）

第一节变质反应（变质结晶作用）

• 变质反应的概念变质反应的概念

指在变质作用的温度压力范围内 , 原岩在基本保持固态的条件下 , 岩石中原有矿物被新生矿物所取代的过程 .

变质结晶作用多是通过特定的反应来实现的 , 因此变质结晶作用也称变质反应 . 变质反应的研究意义在于可以了解矿物成分的变化过程并获取变质条件信息。

代表人物 Winker ，根据实验资料确定了 14 个特定的变质反应，使变质作用物理化学条件的测定由定性研究转为定量研究。

• 变质反应的变质反应的影响因素影响因素 :: 原岩成分；结构构造 ; 环境的物化条件 .


• 变质反应平衡时的基本热力学方程变质反应平衡时的基本热力学方程变质变质反应是在一定的体系内，一定的温度、压力、组分浓度等条件下进行的，当变质反应达到平衡时，遵从的基本热力学方程为： d △ （ G ） = 0 = VdP- SdT △ △ 即

dP / dT = △S /△V （ Clausius------Clapeyron 方程） △ G --- 反应的吉布斯自由能变化， △ S - 反应的熵变， △ V 反应的体积变化

式中的 dP / dT 是 P-T 图解上变质反应曲线的斜率，根据△ S 和△ V 的变化可以确定 P-T 图解的斜率，正向反应△ S 一般为正值，所以斜率的正负取决于△ V 。


• 变质反应的基本类型变质反应的基本类型

1. 固体 --- 固体反应

2 脱 - 吸流体（ H2O 和 CO2) 反应

3 氧化 - 还原反应

4 不连续反应和连续反应

5 离子交换反应

6 去水熔融反应


• 固体—固体反应固体—固体反应 1 反应物与生成物都是固相，没有流体相出现； 2 变质反应因素只有 T 、 P ，是比较好的 P-T 指示计； 3 固体的△ S 和△ V 变化很小，计算时可近似看作常数； dP / dT 近似为常数，反应曲线为直线； 4 变质岩石中的固 -- 固反应无论具有正斜率，还是负斜率，其斜率的绝对值都比较低，在 P--T 图上这些反应的单变线比较平缓，因此 , 常用这类反应确定变质岩石的压力类型


• 固体—固体反应固体—固体反应 1. 多形转变

· Al2SiO5

· Cos--Q

· Dia--Gra 。柯石英和金刚石出现的压

力在 3.0GPa 以上 (100km)

是良好的超高压指示矿物


• 固体—固体反应固体—固体反应 2. 一般的固态反应

这种反应在变质岩中出现很多，例如

Ab = Jd + Q

Hy+Pl=Cpx+Ga+Q

Grs + 2Ky+ Q = An


• 固体—固体反应固体—固体反应（ 3 ）固溶体的溶离反应高温时相互混溶的固溶体，在温度降低至临界温度时发生溶离，如由 KNa-1 交换构成的碱性长石固溶体在温度降低时分解为富钠碱性长石和富钾碱性长石两种固溶体


• 固体—固体反应固体—固体反应一些重要变质反应指示的 P-T 条件变化

照片 1-1. 固体—固体反应


• 脱脱 ---- 吸流体（吸流体（ HH22OO 和和 COCO22)) 反应反应• 脱（吸）流体反应的一般特征1 变质反应中出现了流体相，影响因素复杂，要考虑流体相的浓度。2 流体相比固体相有较大的熵值，反应熵变 S>0 ，反应的体积变化

V 则随压力变化而不同。在低压下（ <1-3kb ）， V 值较大， dP/dT=S/V 很小，单变线很缓，反应温度随压力增加而迅速增加；当压力较大（ >3kb ）时， V 很小，反应单变线近于与压力轴平行，反应温度不随压力变化而变化；当反应压力很大时， V<0 ，这类反应单变线变为负斜率。

• 在中压区域变质作用范围内（ 3 － 10kb ），脱水反应单变线与压力轴近平行，这些脱水反应是划分变质作用温度范围主要依据。

Figure 26-6. Schematic T-XCO2 phase diagram illustrating the

general shapes of the five types of reactions involving CO2 and

H2O fluids. After Greenwood (1967). In P. H. Abelson (ed.),

Researches in Geochemistry. John Wiley. New York. V. 2, 542-567. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.


• 脱脱 ---- 吸流体（吸流体（ HH22OO 和和 COCO22)) 反应反应• 脱（吸）流体反应的一般特征五种类型划分五种类型划分

（ 1 ）简单脱水反应（ 2 ）简单脱碳酸反应（ 3 ）脱水 - 脱碳酸反应（ 4 ）碳酸盐化 - 脱水反应（ 5 ）水化 - 脱碳酸反应 Greenwood ,1967.

引自 Winter, 2001

Figure 26-2. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.


• 脱脱 ---- 吸流体（吸流体（ HH22OO 和和 COCO22)) 反应反应• 脱（吸）水反应的一般特征 Ms + Qtz = Kfs + AlMs + Qtz = Kfs + Al

22SiOSiO55 + H + H

22OO

Figure 26-4. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.


• 脱脱 ---- 吸流体（吸流体（ HH22OO 和和 COCO22)) 反应反应• 脱（吸）水反应的常见类型 Mis + Q == Kf + Al2SiO5 + H2O

Hb + Q == Hy + Cpx + Pl + H2O

Hb == Cpx + Gt + H2O

注意：正向反应 --- 脱水反应一般指示温度升高

照片 1-6. 反应结构

Figure 26-1. A portion of the equilibrium boundary for the calcite-aragonite phase transformation in the CaCO3 system.

After Johannes and Puhan (1971), Contrib. Mineral. Petrol., 31, 28-38. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Figure 26-5. T-XCO2 phase diagram

for the reaction Cal + Qtz = Wo + CO2 at 0.5 GPa assuming ideal H2O-

CO2 mixing, calculated using the

program TWQ by Berman (1988, 1990, 1991). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.


• 脱脱 ---- 吸流体（吸流体（ HH22OO 和和 COCO22)) 反应反应• 脱碳酸（碳酸盐化）反应的一般特征 :

CaCOCaCO33 + SiO + SiO22 = CaSiO = CaSiO33 + CO + CO22 CalCal Qtz Qtz Wo Wo


• 脱脱 ---- 吸流体（吸流体（ HH22OO 和和 COCO22)) 反应反应• 脱碳酸（酸盐化）反应的常见类型 :

Cc + Q == Wo + CO2 Dol + Q == Di + CO2

• 脱（吸）水 - 脱碳酸（酸盐化）反应 :

Dol + Q+H2O == Tr + Cc + CO2

Tr +Cc + Q == Di + CO2 + H2O


• 氧化氧化 -- 还原反应还原反应 6Fe2O3 == 4Fe3O4 + O2

2Mt + 3Q == 3Fe-Fo + O2


• 连续反应和不连续反应连续反应和不连续反应 (1) 不连续反应

反应物与生成物间是一种突变关系。当反应脱离了平衡的 P-T 条件（单变线）后 , 不是反应物稳定就是生成物稳定，其性质是不连续的。

Fig. 26-9. Schematic isobaric T-XMg

diagram representing the simplified metamorphic reaction Chl + Qtz Grt + H2O. From Winter (2001) An

Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.


• 连续反应和不连续反应连续反应和不连续反应 (2) 连续反应

当反应物和生成物都不是纯相，存在成分可变的固溶体矿物时，变质反应将变的十分复杂。例如 :

3(Mg,Fe)2Al4Si5O18==2(Mg,Fe)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2

[Cord] [Ga] [Sill] [Q]

Cord 与 Ga 都是固溶体 , Ga 的生成并没有导致 Cord 的消失 , 只是使 Cord 的成分发生了变化 . 因此他们可以在一定的 P—T 范围内共存 , 这种变质反应称为连续反应 .


• 连续反应和不连续反应连续反应和不连续反应 (2) 连续反应

图示一个连续反应 Chl + Qtz Grt + H2O

组合 Chl + Qtz + Grt 在一定的 P—T 范围内共存 , .


• 静转移反应和交换反应：静转移反应和交换反应：

(1) 静转移反应反应前后矿物的原子数发生变化（前述各例）

（ 2 ）交换反应：反应前后矿物的原子数不发生变化，仅引起共存矿物

间原子（如 Fe 、 Mg) 交换。交换反应引起的系统体积改变小，对压力不敏感，是很好的地质温度计。地质温度计。

Bi-Gt Bi-Gt 温度计：温度计： LnKLnKDD = ( 2089 + 0.0096P ) / T = ( 2089 + 0.0096P ) / T - - 0.7820.782

例如共存的 Bi-Gt 之间的 Fe/Mg 交换反应 Mg3Al2Si3O12+KFe3Al2Si3O1 0= Fe3Al2Si3O12+KMg3Al2Si3O10


• 岩石成因格子简介岩石成因格子简介

第二节变质重结晶作用

一一 .. 概念概念特点实例特点实例• 概念 : 指在变质条件下 , 同种矿物间的溶解 , 组分迁移 , 再沉淀结晶的改造作用 . 这此过程中 , 没有新的矿物相出现。• 特点 : 原岩中某些矿物的个体形态 , 大小 , 空间位置等发生变化 , 即造成岩石结构构造方面的变化 . 一般发生于组成矿物单一的岩石中。如灰岩和石英砂净岩。• 实例 :

灰岩大理岩重结晶

T. P石英砂净岩石英岩

重结晶T. P


二二 .. 影响因素影响因素 : : 原岩特点原岩特点 ; ; 环境物理化学条件环境物理化学条件 ..

(1) 原岩成分 : 成分越简单 , 越纯净 , 越利于重结晶作用 .

(2) 粒度 : 同种矿物粒度小 , 表面能小 , 越利于重结晶作用 .

(3) 形态 : 外形不规则的矿物颗粒易于发生重结晶作用 .

(4) 温度 : 温度升高矿物溶解度增大 , 组分在溶液中的扩散速度扩散距离随之增大 , 利于发生大规模的重结晶作用 .

(5) 应力 : 应力使岩石破碎、变形 , 、利于发生重结晶作用 .


三三 .. 类型类型 ---- 静态重结晶静态重结晶 ; ; 动态重结晶动态重结晶

1.1. 静态重结晶静态重结晶一般发生在低应变区或应力消失以后 , 是在没有应力或应力较弱的条件下发生的重结晶作用 .

产物特点 : 形成的矿物近等轴粒状 , 无定向组构 , 同种矿物之间往往发育三边平衡结构 .

花岗变晶结构 ( 粒状 ) 花岗变晶结构 ( 鳞片粒状 ) 花岗变晶结构 ( 柱状粒状 )

穿插变晶结构 (1) 穿插变晶结构 (2) 球粒变晶结构

斑状变晶结构嵌状变晶结构骸晶变晶结构

图 2-1 接触变质岩（静态重结晶）典型结构素描

A-A 边界能与 A-B边界能接近时 , 形成三边平衡结构 =1200

A-A 边界能大于 A-B边界能时 , 减小

图 2-2 颗粒边界能与矿物接触关系示意

图


三三 .. 类型类型 ---- 静态重结晶静态重结晶 ; ; 动态重结晶动态重结晶

2.2. 动态重结晶动态重结晶一般发生在强应变区 , 是在有较强应力作用条件下发生的重结晶作用 . 可以分为两个阶段：

11 ）初始重结晶（恢复）阶段：）初始重结晶（恢复）阶段：无应变的新颗粒取代具有高应变能的变形颗粒，产生细粒化作用。

22 ）次生重结晶（结晶）阶段：）次生重结晶（结晶）阶段：新生无应变能颗粒取代具高应变能变形颗粒后继续生长，颗粒加粗加大的过程


三三 .. 变质变质重结晶作用类型重结晶作用类型 ---- 静态重结晶静态重结晶 ; ; 动态重结晶动态重结晶

2.2. 动态重结晶动态重结晶作用方式 (机制 )一般可以分为两种类型 :

11 ）迁移）迁移动态重结晶：动态重结晶：已变形的矿物颗粒开始溶解并被新生的同种矿物定向生长取代的过程，结果产生定向组构。

22 ）旋转）旋转动态重结晶：动态重结晶：在剪应力作用下，矿物旋转变形与重结晶作用同时发生，结果形成一种独立的亚颗粒结构（由许多细小的同种矿物颗粒组成，它们光性不同，界限不清）。

照片 2-1. 石英的波状消光

石英波状消光指示的动态重结晶

照片 2-2. 石英的亚颗粒结构

石英亚颗粒结构指示的恢复阶段的动态重结晶

照片 2-3. 石英的亚颗粒结构

石英亚颗粒结构指示的恢复阶段的动态重结晶

照片 2-4. 齿状石英

斜长石的 “ S” 形残斑

齿状石英指示的动态重结晶

条纹长石的亚颗粒结构指示的恢复阶段的动态重结晶

照片 2-5. 条带状石英及条纹长石的亚颗粒结构

第三节变质分异作用

• 静转移反应和交换反应：静转移反应和交换反应：

指原来矿物成分均匀的岩石经历变质作用后 , 转变为矿物成分不均匀的岩石的各种作用的总和

成因可能主要有以下几种方式 1 压力不均匀引起的侧分泌作用 2 表面能差异引起的变质分异作用 3 与剪应力有关的变质分异作 4 与变质反应有关的变质分异作用

照片 3-1. 组分扩散形成的堇青石

照片 3-2. 角闪质基体与钠长石细脉组成的条带状混合岩

第四节变形作用

• 类型类型脆性变形和塑性变形在应力的作用下，岩石将会发生应变，当岩石遭受应力的作用超过其塑性屈服强度时，岩石就会发生塑性变形；当应力超过其弹性极限时，岩石就会发生破裂—脆性变形。

• 影响因素影响因素岩石性质、应力状态和强度、温度、压力等岩石能否变形及岩石变形性质，主要取决于岩石本身的物理性质和其所处的外部环境。例如 , 长英质岩石比铁镁质岩石易发生塑性变形；较高的温度和静压力条件利于发生塑性变形等 .


• 脆性变形脆性变形变形条件：地壳浅部、低温低压和应力快速作用；

变形特点：组成岩石的矿物来不及调整颗粒的形状及本身的位置，甚至来不及拆开颗粒边界上彼此铰合的结构就发生了总体破裂。

表现形式：形成断层角砾和断层泥，固结后形成各种断层角砾岩和碎裂岩。


• 塑性变形塑性变形变形条件：在地壳深部，较高的围压和温度慢应变速率等

变形特点：变形岩石不发生破裂而仅改变其形状，岩石保持空间的整体性和连续性，如发生褶曲和扭曲等。表现形式：（ 1 ）塑性变形可引起矿物晶体出现内部晶格滑动和位错，发育波状消光、亚颗粒、扭折、机械双晶及变形纹等变形结构波状消光、亚颗粒、扭折、机械双晶及变形纹等变形结构。（ 2 ）由于岩石内部所受的应力不均匀引起组分化学位的梯度变化。从而形成岩石内部的扩散流。与之有关的结构现象有如压溶现象、压力影和糜棱结构等。压溶现象、压力影和糜棱结构等。（ 3 ）在应力作用下，变质岩石中的矿物出现优选定向 ) ，从而形成变质岩石所特有的结晶片理。结晶片理。


• 塑性变形塑性变形变形方式：晶界塑性变形、晶内塑性变形晶界塑性变形、晶内塑性变形

1 1 晶界塑性变形晶界塑性变形包括晶体颗粒之间的滑动和扩散流动（特点如下）（ 1 ）颗粒边界具有较大的 Gibbs 自由能，比起其他部位不稳定；（ 2 ）化学迁移从应力较大的颗粒边界向其他部位迁移并生长。（ 3 ）改变了晶体的形状，但没有改变晶体的内部结构。（ 4 ）若有粒间溶液参加，通过粒间溶液的扩散称压溶。


• 塑性变形塑性变形变形方式：晶界塑性变形、晶内塑性变形晶界塑性变形、晶内塑性变形

2 2 晶内塑性变形晶内塑性变形包括直线滑移、双晶滑移、晶体的扭折（ 1 ）直线滑移– 晶格滑移的距离是结晶学基本单位的整数倍，滑移

结果是仅改变矿物外形 , ，不改变晶格方位。（ 2 ）双晶滑移 -- 晶格滑移的距离是结晶学基本单位的分数，滑移结果是晶格方位也发生改变，结果产生机械双晶。

（ 3 ）扭折—滑移中发生旋转，导致滑移面弯曲产生扭折。

名词提示 --位错：已滑动部分与未滑动部分的分界线


• 塑性变形塑性变形组分运动（知识扩充）：直接运动、间接运动：直接运动、间接运动

1 1 组分的直接运动组分的直接运动包括晶体内部的滑动和晶体颗粒之间的相对运动（ 1 ）刚性矿物颗粒的旋转例如石榴石变斑晶的旋转及其内部产生的“ S” 形残缕结构（ 2 ）晶内塑性变形晶体各组成部分通过晶体内部的一些脆弱面做相对滑动 .

结晶片理的成因：随着应力增强 , 颗粒之间将发生相对旋转 , 引起相邻矿物晶格方位的改变 , 又将出现新的滑动面 , 如此反复 , 将使矿物的外形和光性方位出现不同的定向特征而形成



2 2 组分的间接运动组分的间接运动在应力的作用下 , 造岩组分以离子或原子形式 , 通过在间隙溶液中溶解 ,扩散及再次沉淀等方式进行的一种运动形式 .

组分产生间接运动的可能原因有组分产生间接运动的可能原因有 ::



2 2 组分的间接运动组分的间接运动（（ 11 ））矿物在较大压应力方向趋于溶解 , 迁移扩散到低压应力地区

沉淀结晶成新矿物 . 结果 , 矿物定向生长 , 形成结晶片理。 .（（ 22 ））晶体不同方向的生长速度不同 , 如果某一结晶中心生长速度快

的方向处于 “ S” (片理面 ) 面内 , 则易于快速生长 , 其它方向的

结晶中心则趋于消失 , 结果 , 产生定向构造 .（（ 33 ））许多晶体的结构都具有力学非均一性 , 抗压强度不同 , 同种

矿物不同颗粒的结晶轴和应力轴的方位关系也不同 , 因此 , 只有某

些特定方位的颗粒能稳定存在并不断生长 , 其它方位的颗粒不

稳定而趋于分解 , 结果产生矿物的优选方位 .

照片 4-1 旋转的石榴石变斑晶

照片 4-2 .塑性变形组构及形成示意图

照片 4-3.塑性变形组构及形成示意图

变质结晶作用 - 变形作用相互关系

• 变质结晶作用与变形作用的相对时序利用变斑晶内部包体排列方向 ( Si ) 和岩石片理或片麻理 ( Se ) 之间的关系 , 结合矿物的形态特征和空间分布

等特征 , 可区分出 :

1. 构造期前变质结晶作用 : 变质发生于变形作用之前。

2. 同构造期变质结晶作用：变质与变形基本同时发生。

3. 构造期后变质结晶作用：变质发生于变形结束之后。

照片 4-4.包体排列方向 Si 和岩石片理或片麻理 Se


• 构造期前变质结晶作用(1). 矿物常出现变形现象 , 如波状消光 , 双晶弯曲 , 变形

纹等 .

(2).Se 斜切变斑晶内的 Si, 则变斑晶形成早于 Se而晚于Si

(3).早期形成的变斑晶被后期 Se 所围绕 , 变斑晶两端常见有压力影构造。

(4).后期形成的 Se 穿切早期形成的矿物。

(5). 变斑晶矿物具有压力溶解现象 ( 溶蚀、压溶结构 ) 。

Bent crystal with undulose Bent crystal with undulose extinctionextinction

a.a. Foliation wrapped Foliation wrapped around a porphyroblastaround a porphyroblast

b.b. Pressure shadow or Pressure shadow or fringefringe

c.c. Kink bands or foldsKink bands or foldsd.d. MicroboudinageMicroboudinagee.e. Deformation twinsDeformation twins

构造期前变质结晶作用特点

示意图

照片 4-5.刚性辉石周围的压力影现象


• 同构造期变质结晶作用(1). 变斑晶中的 Si呈“ S” 形弯曲并与 Se 相连 , 表明变

斑晶生长时发生了旋转应变 .

(2). 变斑晶中的 Si朝向晶体边缘逐渐发生偏转 , 并与 Se相连 .

(3) Si 在变斑晶中间较平直 , 向晶体边缘 , 其褶皱程度趋于紧密并与 Se 相连 . 表明变斑晶是基质发生褶皱时形成的 .

(4) 与变形同时生长的矿物常具有方向性排列 , 构成片理 .

(5) 变斑晶具有推开片理的生长现象 , 变斑晶两端也具有压力影构造 , 这种现象与构造前变斑晶不易区别 .

同构造期旋转变斑晶的形成过程示意图同构造期旋转变斑晶的形成过程示意图

照片 4-6. 同构造期变质结晶作用

旋转的石榴石变斑晶

旋转的角闪石残班


同构造期黄铁矿


石榴石变斑晶中同构造期夕线石包体

照片 4-9. 同构造期变质结晶作用同构造期变质结晶作用

堇青石变斑晶中同构造期夕线石包体



• 构造期后变质结晶作用(1). 变斑晶中的 Si 与 Se 基质相连 , 如果 Se较平直 , Si也

较平直 ; 如果 Se褶皱 Si也具有相同程度的褶皱 .

(2). 矿物分布是任意的 , 无优选方位 , 常常切割早期片理 .

(3). 具有定向构造的岩石中 ,会出现晚期形成的呈放射状

排列的矿物集合体 ,它是典型的构造期后矿物的特点 .

(4). 变斑晶两端无压力影现象 .

a. Helicitic folds b. Randomly oriented crystals c. Polygonal arcs d. Chiastolite e. Late, inclusion-free rim on a

poikiloblast (?) f. Random aggregate pseudomorph

构造期后变质结晶作用示意图构造期后变质结晶作用示意图

照片 4-11. 构造期后石榴石变斑晶

早期石榴石 (核部 )具有叶理 , 构造期后生长边无叶理

不同构造期石榴石变斑晶特点示意图


• 变质结晶作用与变形作用的相互联系互相促进、互为依赖。例如变形作用使岩石破碎，为流体提供了通道；变形作用使矿物颗粒减小，增加了颗粒接触机会，增大了接触颗粒的自由能；应力增加了元素的扩散速度和扩散距离；它们都使变质反应变的容易。变质反应会产生一些更容易变形的新矿物，进变质反应会产生流体以及引起岩石体积的变化，这些都可以改变岩石的力学性质，从而促进变形作用的发生和发展。

第五节交代作用

指在变质条件下，由变质岩以外的物质的带入和原岩物质的带出，而造成的岩石中一种矿物被另一种化学成分不同的矿物所置换的过程。在此过程中，尽管岩石基本处于固态，但以 H2O 和 CO2 为主的流体流体的存在是必要条件。

交代作用产物 : 有混合岩、矽卡岩、气热变质岩等。

习题1 ．变质作用的方式主要有哪几种类型？基本含义是什么？2 ．变质反应的基本特征、影响因素和研究意义。3 ．举例说明变质反应的主要类型及主要特征4 ．为什么固－固反应是较好的地质温压计？5 ．重结晶作用和变质结晶作用的主要区别是什么？6 ．静态重结晶和动态重结晶产物的特点有什么不同？7 ．变质结晶作用与变形作用的关系有几种情况？各具有什么特点？

第四章 变质岩的形成作用

Documents

第四章变质岩的形成作用